Capas de silicona porosas para baterías de iones de litio más eficientes
La FEP de Fraunhofer ha desarrollado procesos de recubrimiento para la industria durante varios años. Recientemente, en el proyecto PoSiBat, los científicos de Fraunhofer FEP pudieron desarrollar un proceso de fabricación no tóxico y eficiente para las capas de silicio poroso. Los resultados del proyecto recientemente finalizado se presentarán en el taller Thin Film Technology for Energy Systems en V 2019 y en el stand nº 22 de Fraunhofer FEP (octubre 8 -10, 2019, en Dresde, Alemania).
Esquema de la formación de granos separados de zinc (rojo) y silicio (azul) después de la deposición (izquierda) y película de silicio poroso después de expulsar el zinc por recocido térmico (derecha).
© Fraunhofer FEP
Las baterías de iones de litio están bien establecidas debido a sus buenas propiedades. Tienen una densidad de energía más alta que otras baterías. Por lo tanto, se utilizan en cámaras, relojes, dispositivos móviles y especialmente para vehículos eléctricos. Sin embargo, desde un punto de vista técnico, siguen ofreciendo un gran potencial de mejora y optimización de las células de la batería.
Las baterías de iones de litio consisten en una disposición de diferentes capas, cada una con diferentes funciones. El cátodo y el ánodo son los dos electrodos de la batería, que están conectados eléctricamente mediante un electrolito conductor dentro de la celda. Actualmente, hay muchas actividades de investigación en todo el mundo para el desarrollo de nuevos materiales y procesos de fabricación alternativos con el fin de mejorar el rendimiento de la batería, especialmente para los dispositivos móviles y la electromovilidad. Aspectos importantes para las tecnologías prospectivas son la conservación de los recursos, la protección del medio ambiente y la seguridad. Además, las baterías deben fabricarse de forma sostenible y rentable con un gran rendimiento.
Dentro del proyecto PoSiBat se desarrolló un proceso rentable y respetuoso con el medio ambiente para la fabricación de capas de silicio poroso como material de ánodo. La sustitución de los materiales de grafito utilizados actualmente por silicio promete un aumento de casi diez veces la capacidad de carga específica del ánodo. Sin embargo, el proceso de carga y descarga conduce a un enorme cambio en el volumen del silicio y, por lo tanto, a una rápida destrucción mecánica y electroquímica del material compuesto y, por lo tanto, a un fallo celular.
El Dr. Stefan Saager de Fraunhofer FEP explica la innovación: "Hemos desarrollado un proceso en el que el silicio y el zinc se depositan simultáneamente en sustratos metálicos. Aplicando un tratamiento térmico posterior, el zinc se evapora de nuevo de la capa y se generan poros en los lugares donde se encontraban los antiguos granos de zinc. La estructura porosa del silicio proporciona el espacio adecuado para su expansión durante el proceso de carga y, por lo tanto, se minimiza la pérdida de capacidad. La estructura porosa puede ser manipulada y optimizada a los requerimientos específicos de la batería adaptando los parámetros del proceso. El zinc puede ser recolectado y reutilizado en el proceso concebido". Las capas de silicio poroso muestran un rendimiento de batería alentador, lo que se demuestra por una capacidad de carga inicial de más de 3.000 mAh/gSi y una estabilidad de ciclo comparativamente buena.
La experiencia del Fraunhofer FEP radica en el recubrimiento de sustratos y láminas metálicas con zinc y silicio, lo que es posible con tasas de recubrimiento muy altas en procesos de vacío convencionales no tóxicos. Estos procesos permiten un alto rendimiento y bajos costes de fabricación. En el Instituto Fraunhofer de Tecnología de Materiales y Vigas IWS se caracterizaron las propiedades electroquímicas de los recubrimientos porosos.
Los científicos del Fraunhofer FEP están deseando colaborar con los fabricantes de baterías para transferir los resultados a productos de alto rendimiento. Están abiertos a la cooperación.
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